紫铜焊接

紫铜焊接
紫铜焊接是被焊工件的材质（这里指紫铜），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质紫铜达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程，一般用于工业
紫铜焊接过程中，工件和焊料熔化形成熔融区域，熔池冷却凝固后便形成材料之间的连接。

这一过程中，通常还需要施加压力。

紫铜焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超波等。

19世纪末之前，唯一的紫铜焊接工艺是铁匠沿用了数百年的金属锻焊。

最早的现代紫铜焊接技术出现在19世纪末，先是弧焊和氧燃气焊，稍后出现了电阻焊。

紫铜焊接的分类：金属的紫铜焊接,按其工艺过程的特点分有熔焊,压焊和钎焊三大类.
熔焊是在紫铜焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成紫铜焊接的方法。

熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。

熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。

在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。

大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。

为了提高紫铜焊接质量，人们研究出了各种保护方法。

例如，气体保护电弧焊就是用氩、二氧化碳等气体隔绝大气，以保护紫铜焊接时的电弧和熔池率；又如钢材紫铜焊接时，在焊条药皮中加入对氧亲和力大的钛铁粉进行脱氧，就可以保护焊条中有益元素锰、硅等免于氧化而进入熔池，冷却后获得优质焊缝。

压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态紫铜焊接。

常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。

各种压焊方法的共同特点是在紫铜焊接过程中施加压力而不加填充材料。

多数压焊方法如扩散焊、高频焊、冷压焊等都没有熔化过程，因而没有象熔焊那样的有益合金元素烧损，和有害元素侵入焊缝的问题，从而简化了紫铜焊接过程，也改善了紫铜焊接安全卫生条件。

同时由于加热温度比熔焊低、加热时间短，因而热影响区小。

许多难以用熔化焊紫铜焊接的材料，往往可以用压焊焊成与母材同等强度的优质接头。

钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现紫铜焊接的方法。

紫铜焊接时形成的连接两个被连接体的接缝称为焊缝。

焊缝的两侧在紫铜焊接时会受到紫铜焊接热作用，而发生组织和性能变化，这一区域被称为热影响区。

紫铜焊接时因工件材料紫铜焊接材料、紫铜焊接电流等不同，焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象，也使焊件性能下降，恶化紫铜焊接性。

这就需要调整紫铜焊接条件，焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处可以改善焊件的紫铜焊接质量。

另外，紫铜焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，紫铜焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生紫铜焊接应力和变形。

重要产品焊后都需要消除紫铜焊接应力，矫正紫铜焊接变形。

现代紫铜焊接技术已能焊出无内外缺陷的、机械性能等于甚至高于被连接体的焊缝。

被紫铜焊接体在空间的相互位置称为紫铜焊接接头，接头处的强度除受焊缝质量影响外，还与其几何形状、尺寸、受力情况和工作条件等有关。

接头的基本形式有对接、搭接、丁字接(正交接)和角接等。

对接接头焊缝的横截面形状，决定于被紫铜焊接体在紫铜焊接前的厚度和两接边的坡口形式。

紫铜焊接较厚的钢板时，为了焊透而在接边处开出各种形状的坡口，以便较容易地送入焊条或焊丝。

坡口形式有单面施焊的坡口和两面施焊的坡口。

选择坡口形式时，除保证焊透外还应考虑施焊方便，填充金属量少，紫铜焊接变形小和坡口加工费用低等因素。

厚度不同的两块钢板对接时，为避免截面急剧变化引起严重的应力集中，常把较厚的板边逐渐削薄，达到两接边处等厚。

对接接头的静强度和疲劳强度比其他接头高。

在交变、冲击载荷下或在低温高压容器中工作的联接，常优先采用对接接头的紫铜焊接。

搭接接头的焊前准备工作简单，装配方便，紫铜焊接变形和残余应力较小，因而在工地安装接头和不重要的结构上时常采用。

一般来说，搭接接头不适于在交变载荷、腐蚀介质、高温或低温等条件下工作。

采用丁字接头和角接头通常是由于结构上的需要。

丁字接头上未焊透的角焊缝工作特点与搭接接头的角焊缝相似。

当焊缝与外力方向垂直时便成为正面角焊缝，这时焊缝表面形状会引起不同程度的应力集中；焊透的角焊缝受力情况与对接接头相似。

角接头承载能力低，一般不单独使用，只有在焊透时，或在内外均有角焊缝时才有所改善，多用于封闭形结构的拐角处。

紫铜焊接产品比铆接件、铸件和锻件重量轻，对于交通运输工具来说可以减轻自重，节约能量。

紫铜焊接的密封性好，适于制造各类容器。

发展联合加工工艺，使紫铜焊接与锻造、铸造相结合，可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构，经济效益很高。

采用紫铜焊接工艺能有效利用材料，紫铜焊接结构可以在不同部位采用不同性能的材料，充分发挥各种材料的特长，达到经济、优质。

紫铜焊接已成为现代工业中一种不可缺少，而且日益重要的加工工艺方法。

在近代的金属加工中，紫铜焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。

紫铜焊接结构的重量约占钢材产量的45%，铝和铝合金紫铜焊接结构的比重也不断增加。

未来的紫铜焊接工艺，一方面要研制新的紫铜焊接方法、紫铜焊接设备和紫铜焊接材料，以进一步提高紫铜焊接质量和安全可靠性，如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等紫铜焊接能源；运用电子技术和控制技术，改善电弧的工艺性能，研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。

另一方面要提高紫铜焊接机械化和自动化水平，如焊机实现程序控制、数字控制；研制从准备工序、紫铜焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机；在自动紫铜焊接生产线上，推广、扩大数控的紫铜焊接机械手和紫铜焊接机器人，可以提高紫铜焊接生产水平，改善紫铜焊接卫生安全条件。

超声波金属焊接
超声波金属焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的金属表面，在加压的情况下，使两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合，其优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工；缺点是所焊接金属件不能太厚（一般小于或等于5mm）、焊点位不能太大、需要加压。

超声波金属焊接是19世纪30年代偶然发现的。

当时在作电流点焊电极加超声振动试验时，发现不通电流也能焊接上，因而发展了超声金属冷焊技术。

超声波焊接虽然发现较早，但是到目前为止，其作用机理还不是很清楚。

它类似于摩擦焊，但有区别，超声焊接时间很短，温度低于再结晶；它与压力焊也不相同，因为所加的静压力比压力焊小的多。

一般认为在超声波焊接过程中的初始阶段，切向振动出去金属表面的氧化物，并是粗糙表面的突出部分产生反复的微焊和破坏的过程而使接触面积增大，同时使焊区温度升高，在焊件交界面产生塑性变形。

这样在接触压力的作用下，相互接近到原子引力能够发生作用的距离时，即形成焊点。

焊接时间过长，或超声波振幅过大会使焊接强度下降，甚至破坏。

超声波金属焊接的特点是：不需要焊剂和外加热，不因受热而变形，没有残余应力，对焊件表面的焊前处理要求不高。

不但同类金属，而且异类金属之间也可以焊接。

可以将薄片或细丝焊接在厚板上。

超声焊接良导电体的能量比电流焊接少的多，常用于晶体管或集成电路的引线的焊接。

用于药物和易爆材料的密封焊时，能避免一般焊接因有溶解物体而污染药品，不会因受热而发生爆炸等等。

紫铜的焊接
(一)紫铜的焊接性紫铜(纯铜)的焊接性较差，焊接紫铜比焊接低碳钢困难得多。

紫铜在焊接时存在的主要问题有：
1．焊透性差，易变形。

紫铜的导热率在室温时比低碳钢约大8倍，在1000℃时要大10倍，使得焊接区不容易加热到熔点，致使母材难以熔化，填充金属和母材不能很好熔合，产生未焊透和未熔化现象。

因此，焊接时要使用大功率热源(火焰能率高)，通常在焊接前还需采取预热措施。

另一方面，紫铜的线膨胀系数比低碳钢要大50％以上，由液态转变为固态时收缩率也较大，再加上铜的导热能力好，使焊缝热影响区宽，如果工件刚度不大，又无防变形措施，在焊件焊后就会产生严重的变形。

2．易氧化，焊接接头机械性能低。

铜在常温下不容易氧化，但当温度升高到300℃以上时，其氧化能力便很快增大。

当温度接近熔点时，其氧化能力最强，生成氧化亚铜(Cu2O)。

在焊缝金属结晶时，氧化亚铜和铜会形成低熔点共晶体(1064℃)，分布在铜的晶界上，使焊接接头力学性能大为降低，其强度可降低到只有母材的1／2～1／3。

又由于铜是单相组织，没有同素异构转变，也没有重结晶和细化晶粒的作用，因此，焊后焊缝金属都是粗大的晶粒组织，所以也造成了焊后焊缝的机械性能一般低于基本金属，尤其是接头部分的塑性和韧性，降低更为明显。

3．气孔。

气孔是铜焊接时的一个主要问题。

大量试验研究和生产实践表明，紫铜焊缝对氢气孔的敏感性比低碳钢焊缝要高得多。

其原因是：一方面铜的导热系数高，使得铜焊缝的结晶凝固过程特别快，因而在高温时所溶解在焊缝中的氢不易上浮逸出，就在焊缝中形成气孔；另一方面，试验表明，铜在高温时吸收氢量的能力比低碳钢也大得多，这也是为什么铜对氢气孔特别敏感的原因。

4．裂纹。

紫铜在焊接时，在焊缝和近缝区内产生的裂纹，其中最常见的是热裂纹。

热裂纹的倾向与两个因素有关：一是焊缝中杂质的影响；一是焊接过程中所产生的应力。

铜在高温时易氧化成氧化亚铜，在凝固时，氧化亚铜不溶于固体铜中，因此析出的氧化亚铜与铜形成脆性的共晶体分布于晶界上，使铜变脆，易形成裂纹。

此外，铅(Pb)和铋(Bi)也是铜的主要有害杂质，它们几乎不溶于铜，在结晶时析出并与铜形成低熔点共晶体，即使在焊缝中含量很低也会形成裂纹。

再者，由于铜线膨胀系数和收缩率较大，而且导热性强，焊接时多采用较大的热功率，加热区域较宽，因而焊接接头承受较大的拉应力，也是促使焊接时产生裂纹的另一个原因。

(二)紫铜的气焊
1．接头型式和坡口制备。

焊接紫铜最常用的是对接接头。

搭接接头和T型接头一般不采用，坡口的型式及尺寸详见表4—4。

2．气焊工艺参数的选择。

气焊紫铜时，焊丝一般都含有脱氧剂，如磷(P)、硅(Si)、锰(Mn)、锡(Sn)等。

采用最多的焊丝是201(紫铜焊丝)或丝202(低磷铜焊丝)，详见表3—6。

常用的焊粉(气焊熔剂)为气剂301，焊粉的主要成分为硼砂和硼酸，详见表3—10。

气焊紫铜时，应采用中性焰。

氧化焰会使熔池氧化，在焊缝中生成脆性的氧化亚铜；碳化焰会使焊缝产生气孔。

由于铜的导热性强，因此，气焊时应选用较大的火焰能率，焊丝直径、焊炬型号、焊嘴号码及乙炔流量的选择应根据母材厚度，详见表5—19。

表5—19紫铜气焊时焊炬和焊嘴的选择
3．气焊工艺过程
(1)焊件的清理：焊件表面和焊丝表面的油污和氧化物，在焊接前必须清理干净。

清理方法是先用丙酮溶液将表面油污洗净，再用温水冲洗。

然后在待焊处两侧20～30mm范围内用钢丝刷刷除氧化物，直至露出金属光泽为止。

清理后的焊件应及时进行焊接，以免表面重新氧化。

(2)准备垫板：特别是焊接厚板时，由于
焊接熔池及装配间隙均较大，为保证完全焊透，又
不使铜液从焊缝中流失，以及使焊缝背面成形良
好，在焊接下面应放置垫板，如图5—6所示。

垫
板应放置水平，不能有任何方向的倾斜。

垫板材料
可用钢或石墨，为减少在使用时焊缝处热量向金属
垫板传导，可预先把垫板加热至200～300℃。

在垫板与焊件之间还必须放入一层导热性差的石棉板，以避免垫板与焊件产生粘合现象或石墨垫板向焊件渗碳的现象发生。

石棉板在使用时，必须经过烘干，去除
水分。

(3)预热：紫铜在气焊时必须预热。

预热
温度为400～500℃，厚大焊件的预热温度为600～
700℃。

当板厚大于10mm时，要用两把焊炬，一
把用来预热，另一把用来焊接。

(4)焊件的装配：接板一般不用点固焊缝，但
焊件组装可以用点固焊缝点固。

在不点固的情况下
接板时，应使两板材彼此之间有一锥形预留间隙，
以弥补焊缝的收缩，如图5—7所示，一般焊缝长度每增加1m，预留间隙应增大16mm，或接头末端的间隙应不超过焊缝全长的2％，即：a≤2％L。

焊件装配时可用夹具，也可用定位焊装配，定位焊点长度为20～30mm，短焊缝应先定位焊两端，再定位焊中间。

(5)操作技术：一般焊件厚度小于5mm
时，采用左焊法，当焊件厚度较大时，应采用右焊
法。

焊嘴与焊件之间的夹角为70°左右。

起焊点应
选在焊缝长度的1／3处，对于点固的长焊缝，为
改变应力状态，应采取分段倒退焊法，焊接顺序和
方向见图5—8。

在起焊时，焰芯距焊件表面约3～6mm。

在焊接过程中，焊接火焰不得离开焊缝，以防止氧化。

为更好地焊透并填满焊缝，可将焊件倾斜7°～10°，进行上坡焊。

由于高温的铜液容易吸收气体，而且热影响区金属晶粒容易
长大变脆，所以焊的道数愈少愈好，最好进行单道焊。

(6)紫铜的焊后处理：气焊紫铜时所获得的焊接接头，其力学性能通常低于母材，为提高接头的性能，可进行锤击和热处理。

焊件厚度小于5mm时，可在冷态下进行锤击；较厚的焊件应在250～350℃下锤击。

经过锤击，焊件接头的强度和塑性都会得到提高。

如果把焊件加热到500～600℃，然后在水中急冷，可以提高焊接接头的塑性和韧性，这种处理通常叫做水韧处理。

(三)紫铜气焊实例
1．Φ10×1．5mm的紫铜管的气焊。

选用的焊炬为特小号H01—2型，5号焊嘴，熔剂为气剂301(CJ301)，焊丝为丝202，气焊火焰选用中性焰。

气焊前将两铜管待焊处用砂布打磨至露出金属光泽，再用细锉刀将小铜管待焊处锉平，然后将两铜管对接，不留间隙。

焊接时，先在焊接处上下移动焊炬进行预热。

当焊件预热至暗红色时，将焊丝一端烧热沾上熔剂涂在待焊处周围，这时应注意焊丝的尖端要在外焰中。

在达到焊接温度时，把焊丝送到焊接处熔化一滴，这滴铜水和焊件熔合后，应及时把火焰和焊丝移开，等铜熔液稍凝固，再送入焊丝，如此连续进行焊接。

2．Φ57x4mm紫铜管的气焊。

(1)焊前准备：接头开60°～70°的坡口，用细砂布打磨工件和焊丝表面、去除表面锈蚀，使之露出金属光泽。

选用H01—12焊炬，3号焊嘴，焊丝选用丝201、直径为黟4mm，气焊熔剂选用气剂301(CJ301)。

首先用气焊火焰加热焊丝，蘸上熔剂，然后将管子圆周等分为三分，用严格的中性焰定位焊两点，从第三点开始爬坡转动焊。

(2)焊接：在爬坡焊处预热，预热温度为400～500℃，以看到坡口处起皱、发黑为宜，然后压低焊炬，使焰心距坡口表面4～5mm，加热坡口到红热状态，并不断用焊丝蘸熔剂往坡口上熔敷。

这时由于热胀作用，间隙减小，约有1.5～2mm。

继续加热，则可看到坡口中铜水冒气泡，直至冒气泡现象消失，证明已达到温度，这时应迅速投入焊丝熔滴。

焊炬划圈前进，防止铜水四散和焊缝成型不良，要边转边焊。

至焊缝终点时应继续焊到超过终点10mm左右，慢慢填满熔池，待熔池凝固后再撤离焊炬。

然后用小锤轻轻敲击焊缝。

最后将焊缝加热至暗红色，
放入水中急冷，取出后把表面熔渣清除干净。

紫铜焊接工艺
紫铜焊接时焊缝的层数应该越少越好，最好进行单道焊，焊后锤击焊接接头，能使金属致密和晶粒从而提高其力学性能，对厚度小于5毫米的焊件可在冷态锤击，较厚的焊件可在焊后冷却到250-350摄氏度时锤击。

紫铜的焊接
1．气焊
(1)焊丝和气焊熔剂可用含脱氧剂的纯铜丝HSCu(HS201、HS202)；也可用一般的纯铜丝或基体金属的剪条，而把脱氧剂放在焊粉中，焊粉可用气剂301。

（2）气焊工艺焊前应很好的做好焊丝和焊件的清洁工作，一般用钢丝刷或砂纸去除表面油污和吸附的气体。

焊接火焰应选用中性焰。

氧化焰会使熔池氧化，在焊缝中形成脆性的氧化亚铜；碳化焰则会产生一氧化碳和氢气，进入焊缝形成气孔。

由于紫铜的导热性高而热容量大，因此选择焊嘴的孔应比焊接碳钢时稍大。

焊前应将罕见预热：中、小焊件的余热温度为400~500℃；厚大焊件预热温度为600~700℃。

为了防止热量散失，焊件最好放在绝热的材料如石棉板之类的衬垫上焊接。

由于高温铜液容易吸收气体，是焊缝金属产生多孔性的缺陷，同时，焊缝热影响区的晶粒粗大，还会使焊接接头的力学性能降低，所以焊缝的焊接层数越少越好，最好进行单道焊。

焊后捶击焊接接头，使金属晶粒变细，从而提高其力学性能。

对厚度小于5mm的焊件可在冷态下锤击；较厚的焊件可在焊后冷至250~350℃时锤击。

2.手工电弧焊
焊条可选用ECu(T107)或ECSn-B(T227)其中ECu的焊芯是纯铜；ECuSn-B 的焊芯成分是磷青铜，药皮都是低氢钠型，电源用直流反接。

焊前应清除焊缝边缘。

焊件厚度大于4mm时，焊前必须预热。

随着焊件厚度和尺寸增大，预热温度应该相应提高，预热温度一般在300-500℃之间。

焊接时应用短弧、焊条不易作横向摆动，而应作往复的直线运动，以改善焊缝的成形。

焊后用平头锤敲击焊缝，消除应力和改善焊缝质量。

3.钨极氩弧焊
用钨极氩弧焊焊接紫铜，可以的到高质量的焊接接头。

这是因为氩气对熔池的保护作用好，空气中的氧和氢不易进入熔池，而且氩弧的温度高，热量集中，焊缝的热影响区消，因而焊缝的强度高，焊件的变形小。

焊丝与气焊相同，电源用直流正接。

紫铜焊接剂及紫铜焊接方法，属于焊接领域。

本发明所解决的技术问题是提供一种紫铜焊接剂，该焊接剂可以提高紫铜的焊接效果。

本发明还提供了一种紫铜焊接方法。

本发明紫铜焊接剂是由下述重量配比的组份组成：锰粉４５～５５份，硅铁粉６～８份，SiO２４～８份CaF２８～１２份，石墨４～８份，水玻璃１５～２５份。

本发明焊接剂及焊接方法焊接后的紫铜设备无热裂纹、气孔、未焊透等情况产生，可以大幅提高焊接后的紫铜设备的使用寿命，紫铜结晶器使用寿命由１０００炉次延长至２０００炉次以上，为本领域提供了一种新的选择，具有广阔的应用前景。